持続可能社会の実現に向けた環境対応技術

Overview 持続可能社会 環境対応技術 オゾン層破壊 水質汚濁 生態系への脅威 有害化学物質 酸性雨 大気汚染 地球温暖化 世界人口の増加に伴い，地球温暖化， 大気汚染，水質汚濁などの問題が顕在化 しつつあるが，日立製作所は，これらに対 応してさまざまな環境対応技術を開発してい る。その代表例として，化石燃料を用いて 高効率で発電する技術，風力などの再生可 能エネルギーを利用する技術，オゾン層破 壊物質をできるだけ使わなくても済むように する技術，自動車の燃費をよくする技術， 河川流域を網羅的に監視する技術，および， 製品含有化学物質を管理する技術などが ある（図1参照）。 18世紀末の産業革命以来，化石燃料の 消費量が増加し，20世紀半ば以降，CO2 （二酸化炭素）排出量が急増した1）,2） 。CO2 は温室効果ガス（a） の一つであり，過去100 年で世界の平均気温は約0.8 ℃上昇した3） （図2参照）。今後，世界の平均気温はさら に上昇し，1900年から2100年の200年間で 1.4∼5.8 ℃上昇することになると予測されて いる3） 。地球においては過去40万年の間に 氷河時代の氷期が4回あったが，その氷期 でさえ南極の気温は現在より約8 ℃低いに 過ぎなかったことを考えると，最近の地球温 暖化がいかに深刻であるかがわかる4）_。温 室効果ガスとしてはCO2のほか，CH（メタン）4 やN2O（一酸化二窒素）などもあるが，その うち地球温暖化に対する影響度はCO2が 60.1％という大きな部分を占めることから3）_， 地球温暖化を防止するにはCO2排出量を抑 制するのが効果的と考えられる。 世界の人口は，20世紀半ばから急激に 増加し始め，2006年に65億人となり，2050年 には90億人に達すると見込まれている2）,5）,6）_。 また，一人当たりのCO2排出量も同様の傾 向を示し，2000年には0.8 t/年を超えた（図3 参照）。すなわち，20世紀半ば以降，CO2排

持続可能社会の実現に向けた環境対応技術

Environment-oriented Technology for Sustainable Society

原田 泰志

Yasushi Harada 世界の環境負荷増大と 研究開発の方向性 図1 持続可能社会と環境対応技術の関係 持続可能社会を形成・維持・発展させていくため，地球温暖化や大気汚染など生態系へのさまざまな阻害要因に対応した技術が必要となる。 （a）温室効果ガス 大気中にあって，地表から放出 された赤外線を一部吸収すること により，地表を暖める働きを持つ 気体。近年，それらの排出量の急 激な増加によって，地球規模での 温暖化が進んでいることから，排 出量の削減が課題となっている。 京都議定書における排出量削減 対象は，二酸化炭素（CO2），メタ ン（CH4），一酸化二窒素（N2O）， パーフルオロカーボン（PFC），ハイ ドロフルオロカーボン（HFC），六 フッ化硫黄（SF6）の6種類である。

Vol.88 No.12 970-971 持続可能社会の実現に向けた環境対応技術 出量が急激に増加した理由は，世界人口 の増加と一人当たりCO2排出量の増加に起 因していると言える1）,6） 。一人当たりのGDP （国内総生産）と一人当たりのCO2排出量の 関係を図4に示す1）,7）_{。米国，カナダのように} 一人当たりCO2排出量と一人当たりGDPが ともに大きい国・地域が存在する一方，中国 やインドでは，今後，人口増加と経済成長 が同時に加速すると見込まれる2）,6） 。このよう な状況の中で持続可能社会を形成するに は，経済活動を維持しつつ環境負荷を抑制 する技術と，環境負荷を増やさずに経済成 長を実現する技術を開発する必要がある。 ■発電効率の向上 わが国においては，発電所からのCO2排 出量が全体の30％という大きな部分を占め るため，火力発電の効率向上はCO2排出 量削減に有効である9） 。火力発電は19世紀 末の実用化以来，蒸気の高温・高圧化や大 容量化により，発電効率が改善されてきた。 特に，「水主火従」から「火主水従」への移行直 前の1950年代後半，材料技術の進展により， 熱効率は大幅に向上した。その後，1960 ∼1970年代には蒸気条件の伸びはいった ん緩やかになったが，1980年代に入り，ガ スタービンと蒸気タービンを組み合わせたコ ンバインドサイクル発電が実用化され，それ 以来，熱効率は加速的に向上してきた。最 新のコンバインドサイクル発電プラントでは， 熱効率（HHV：Higher Heating Value）は 50％を超えている。今後，コンバインドサイク ル発電のさらなる効率向上のためには，単 機容量の増大とガスタービン入口温度の向 上が課題である11）_{。そのほかの高効率発電} 方式として，マイクロガスタービン（b）_と 固体 酸化物形燃料電池（c） を組み合わせたハイブ リッドシステムが考案されており，これが完成 すれば将来の発電方式の選択肢となりうる11） 。 ■再生可能エネルギーの利用 CO2を排出しない発電方式として，太陽 光発電や風力発電などの再生可能エネル ギーが注目されている。わが国の風力発電 設備導入量は，10年前から着実に伸びて いる12）_{。ただし，世界の風力発電設備容量} におけるわが国のそれが占める割合は，ま だ2％に過ぎない13） 。風力発電は，風の強弱 によって発電出力が左右される点において， 火力発電と比べて有利とは言えないが，こ れを補完する方法として，電力系統連系時 の電圧変動抑制技術14）_{や，蓄電池との組} み合わせによる出力安定化技術15）_の研究開 発が行われている。 西暦年 2000 1980 1960 1940 1920 1900 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 世界 の平均気温 の 平年差 （℃ ） 線形回帰による近似直線 出典 ： IPCC（気候変動に関する政府間パネル）第三次評価報告書 図2 世界の平均気温の推移 世界の平均気温は過去100年で約0.8 ℃上昇した。 21500 1 2 2100 2050 2000 1950 1900 1850 1800 17500 20 40 60 80 100 世界 の人口 （億 人） 世界 の一人 当 た り CO 2 排出量 （ t/年 ） 西暦年 世界の人口 （点線は予測） 65億人 0.82 t/年 89億人 98億人 一人当たりCO2 排出量

出典 ： 国際連合資料「The World at Six Billion」

図3 世界の人口と一人当たりCO2排出量の推移 世界の人口と一人当たりのCO2排出量はともに上昇傾向にある。 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 0 5 10 15 20 一人 当 た り CO 2 排出量 （ t/年 ） 一人当たりGDP（USD） オーストラリア 経済を維持しつつ 環境負荷を抑制 環境負荷を増やさず 経済成長 カナダ 米国 中国 日本 韓国 ロシア インド 目標

出典 ： オークリッジ国立研究所報告書, およびIMF（国際通貨基金）「World Economic Outlook Database」

注：略語説明 USD（US Dollar） 図4 一人当たりGDPと一人当たりCO2排出量の関係 一人当たりGDPと同CO2排出量は正の相関がある。経済成長と環境保全を 両立するには，目標領域をめざした技術開発が必要である。 地球温暖化の防止に向けた さまざまな技術開発 （b）マイクロガスタービン

Micro Gas Turbine（MGT）。 発電出力が200 kW以下と小さく， 高速発電機を備えた超小型ガス タービン。産業用ガスタービンや自 動車ターボチャージャーなどの技術 を小規模用途に応用したもので， 発電とともに排熱を利用するコー ジェネレーションシステムに利用さ れる。発電効率と総合熱効率が 高く，環境特性に優れた新しい分 散型電源技術である。 （c）固体酸化物形燃料電池

Solid Oxide Fuel Cell（SOFC）。 空気極で生成した酸化物イオン が，電解質を透過し，燃料極で水 素と反応することにより，電気を発 生する。燃料電池の中でも発電 効率が高く，メタノールなどから水 素を取り出す改質器を簡素化でき るといったメリットがあり，分散型 電源として家庭用などの小型のも のも開発されている。

Overview わが国における運輸部門のCO2排出量 （2004年度）は2億5,400万tであり，産業，業 務部門を含めた全CO2排出量の20％に相 当する9） 。運輸部門のCO2排出量のうち，自 動車が90％を占めることから，自動車の CO2対策は重要である。このための取り組 みとして，制御系を含めたエンジン性能向上 の研究16）_や， ハイブリッド車（d）_{をはじめとす} る革新的構造の駆動系の開発17） などがあ る。ところで，わが国の自動車全体で消費 されている燃料のうち，11％が渋滞時にむ だに消費されているとの試算がある18）_。これ を解決する方法として，現在実験中のプ ローブ交通情報システム（e） を活用して道路 の渋滞状況を把握し，渋滞緩和に役立てる ことも考えられる19）_。 ■民生部門のエネルギー効率改善 わが国における民生部門のCO2排出量 （2004年度）は1億7,100万tで，全体の13％ に相当し，1990年度比で21.6％も増加した9）_。 民生部門のCO2排出量のうち，約50％は 空調に起因することから2 0 ） ，空調のCOP （Coefficient of Performance：エネルギー消費 効率）を高めることが重要である。例えば， 冷房能力2.8 kWクラスのルームエアコンにつ いて言えば，1980年代半ばから約10年間， COP値は3前後にとどまっていたが，その後 スクロール圧縮機やPAM（Pulse Amplitude Modulation）制御，すなわちパルス電圧振 幅波形制御などの技術革新21） により，COP 値はどんどん改善され，2004年には6.24（日 立グループ製品の場合）に達した22）_{。これは，} COP値が3の場合と比べ，半分以下のエネ ルギー消費で同じ冷暖房性能を得られるよ 地球の上空15 km以上の成層圏にはオゾ ン層があり，人間を含む地上の生物を有害 な紫外線から守っている。南極上空にはオ ゾンホールが存在するが，その面積が1980 年ごろから拡大している9）_（ 図5参照）。この一 因として，カーエアコンや冷蔵庫の冷媒とし て用いられてきたCFC（Chlorofluorocarbon： クロロフルオロカーボン）の影響が挙げられ る。CFCは成層圏に達すると太陽からの紫 外線で分解され，塩素原子や臭素原子を 放出し，これらの原子が触媒となり，オゾン 分解反応が連鎖的に起こる9 ）_{。そのため，} 1987年のモントリオール議定書にて，CFCを 1995年までに全廃することが決定された。こ れに対応し，カーエアコンや冷蔵庫の冷媒 は，HCFC（Hydrochlorofluorocarbon：ハイド ロクロロフルオロカーボン）やHFC（Hydro-fluorocarbon：ハイドロフルオロカーボン）と いった代替フロンへの切り替えが進んでい る。ただし，表1に示すように23），24） ，HCFCに もわずかながらオゾン破壊効果があるため， 同議定書により，2019年までに全廃されるこ とになっている9） 。一方，HFCは，オゾン破 壊効果はないものの，地球温暖化効果が大 きいという問題のため，1997年の京都議定 書で排出削減対象ガスに指定された。以上 のように，オゾン破壊と地球温暖化の両方 の効果が小さい冷媒の開発が必要となって いる。家電分野では，イソブタンを冷媒とし て使用したノンフロン冷蔵庫が商品化され ている24），25）_。 オゾン層の保護への取り組み 1980 1985 1990 1995 2000 2005 0 1,000 2,000 3,000 南極 の オ ゾ ンホー ル の 面積 （万 km 2） 西暦年 出典 ： 環境省「平成18年度版環境白書」 図5 南極のオゾンホール面積の推移 南極のオゾンホールは拡大傾向にあり，現状では縮小の兆しは見えない。 1 0 4,600∼14,000 0.6∼1 120∼2,400 0.001∼0.52 140∼11,700 0 3 0 出典：環境省「平成12年度オゾン層などの監視結果に関する年次報告書」と社団法人 日本電機工業会資料 表1 CO2，フロン類およびノンフロンの特性一覧 CO2に比べてフロン類は地球温暖化係数が極端に高い。イソブタンは，地球 温暖化係数はあまり高くなく，オゾン破壊効果もない。 物 質 CO2 CFC HCFC HFC イソブタン 地球温暖化係数 オゾン破壊係数 （d）ハイブリッド車 ガソリンエンジンあるいはディー ゼルエンジンに，二次電池や電気 モータから成る動力を組み合わせ ることで，燃料消費量の低減など を可能にした自動車。従来からの インフラや自動車技術を利用しな がら，環境負荷を大きく低減でき る技術として，普及が進みつつある。 （e）プローブ交通情報システム 移動体通信技術を用いて自動 車の位置情報を収集し，それを基 に道路の混雑状況や所要時間を 計算し，利用者に提供するシステ ム。自動車自体をセンサのように 利用して交通情報を集めるため， 少ないインフラ投資で広範囲の情 報をリアルタイムに収集できる。

Vol.88 No.12 972-973 持続可能社会の実現に向けた環境対応技術 NOx（窒素酸化物）やSOx（硫黄酸化物） は光化学オキシダントや浮遊粒子状物質の 原因となり，目，のど，および呼吸器に好ま しくない影響をもたらすおそれがある9）_。わ が国では，1973年以降，大気汚染防止法 による規制が逐次強化される一方，火力発 電所の排煙脱硝技術や低NOx燃焼技術の 急速な進歩とも相まって11） ，大気中のNOx 濃度はこの30年で大きく改善された（図6参 照）。わが国の単位火力発電量当たりの NOx排出量およびSOx排出量は，表2に示 すように国際的に見て低く抑えられている26）_。 ただし，NO（二酸化窒素）2 の環境基準達 成率は，2004年度では一般環境大気測定 局は100％に到達しているのに対し，自動車 排出ガス測定局は89.2％にとどまっている9）_。 今後，自動車排出ガスに対する環境規制 は強化されていく方向であり，それに対応す る技術へのニーズはますます高まっていくもの と予想される。 河川や湖沼は，水道用水のほか，農業用 水や工業用水にも利用されることから，利水 目的や必要な浄水操作レベルに応じ，水域 ごとに環境基準が設けられている。河川の 有機汚濁の指標BOD（f） の達成率は，1975 年の57.2％から2004年の89.8％へと改善さ れている9）_（ 図7参照）。これは，水質汚濁防 止法による，工場・事業場の排水処理施設 や下水道の汚水処理施設の普及率向上が 一因となっている。一方，湖沼の指標COD（g） の達成率は40∼50％程度にとどまっている。 この原因の一つとして，面源あるいはノンポ イントソースによる汚濁があると考えられてい る。面源汚濁とは山林，農地，市街地など からの降雨流入などによる汚濁であるが，汚 染源を特定できないために対応が難しい27）_。 面源汚濁の課題は湖沼だけでなく河川につ いても共通である。今後，流域モニタリング 技術を活用するといった方法で基礎データ を蓄積し，汚染メカニズムを特定するなどの 対策が必要である28） 。

EU（European Union）のRoHS（Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment）指令 では，2006年7月から市場投入される電気・ 電子機器製品について，一部の例外を除き， 鉛，水銀など6物質の使用が禁止されて いる29）_。 一般に，組立製品の製作では部品や半 製品を他社から調達する場合があるが，同 指令に対応するには調達品一つ一つの含 有物質を正確に把握する必要がある。しか し，1製品当たりの部品点数は，例えば洗 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 0.01 0.02 0 0.03 0.04 0.05 0.06 NO 2 濃度 （ ppm ） 西暦年 自動車排出ガス測定局 一般環境大気測定局 出典 ： 環境省「平成18年度版環境白書」 図6 NO（二酸化窒素）濃度の推移2 わが国のNO2濃度は着実に改善されてきた。 大気汚染を防止する技術 河川・湖沼の水質保全への対策 （f）BOD

Biochemical Oxygen Demand の略。生物化学的酸素要求量。 好気性バクテリアが水中の有機 物を酸化分解するのに必要な酸 素量で，河川の水質の指標に用 いられる。通常，20 ℃において5 日間に消費する量をppmまたは m /Lで示す。 有害化学物質の排除 1975 1980 57.2 38.6 50.9 89.8 1985 1990 1995 2000 2005 0 20 40 60 80 100 環境基準達成率 （ BOD また は COD ）（％） 西暦年 河川（BOD環境基準達成率） 湖沼（COD環境基準達成率） 出典 ： 環境省「平成18年度版環境白書」

注：略語説明 BOD（Biochemical Oxygen Demand） COD（Chemical Oxygen Demand）

図7 河川および湖沼の環境基準達成率の推移

河川の環境基準達成率は約60∼90％への改善が見られるが，湖沼について は約40∼50％のレベルにとどまっている。

（g）COD

Chemical Oxygen Demand の略。化学的酸素要求量。水中 の被酸化性物質を酸化するため に必要な酸素量で，水質の指標 とされ，海域と湖沼の環境基準に 用いられている。30分程度で測定 でき，単位はppmまたはm /Lで示 される。 1.7 3.7 1.9 1.9 0.6 0.7 0.3 0.2 出典：東京電力株式会社「サステナビリティレポート」 注1：略語説明 SOx（硫黄酸化物） 注2：NOx，SOxとも単位発電量当たりの火力発電所平均排出量。日本は2003年のデー タ，日本以外は2002年のデータ 表2 世界のNOx排出量およびSOx排出量 わが国のNOx排出量とSOx排出量は低く抑えられている。 国・地域 米国 フランス ドイツ 日本 NOx排出量（ /kWh） SOx排出量（ /kWh）

Overview ダーの膨大な数であり ，しかも調達先はそ の先の調達先とつながっているといった連鎖 構造が存在する場合があるため，人手です べての部品を管理するには限界がある。こ の課題を解決するため，部品と含有物質に 関連する情報を一元管理し，かつ，調達先 との連携も実現する環境情報システムが開 発されている30）_{。日立グループでも，このシ} ステムを導 入し，2 0 0 6 年 3 月 時 点で1 万 4,000人のユーザー登録と，16万点の部品 登録を完了している30） 。 世界の環境負荷は人口増加と経済発展 により，ますます厳しさを増している。それに 伴い，CO2など温室効果ガスによる地球温 暖化やフロン類によるオゾンホール拡大など が顕在化しつつある。これらの課題に対応 インフラからエアコンなどの生活家電に至る まで，あらゆる分野においてエネルギー効率 向上をめざし，CO2排出量削減のための技 術開発を推進している。また，オゾン層を保 護するため，冷蔵庫などに用いるノンフロン 冷媒の開発にも注力している。 一方，わが国においては，NOxやSOxに よる大気汚染や工場廃水などによる水質汚 濁の状況は，1970年代以降，改善傾向に ある。これは，大気汚染防止法や水質汚濁 防止法などの規制強化と，クリーン発電や 水質管理などの技術開発の両輪があってこ そ可能となったものであり，環境問題を科学 技術で解決した成功事例であると考える。 今後は，このような先進的な技術をわが国 から世界へ発信するとともに，他の環境上 の課題を解決するための技術開発に取り組 んでいく。 持続可能社会の実現をめざして

01）G. Marland,et al.: A compendium of data on global change─ National Fossil-Fuel CO2 Emissions, Oak Ridge National

Laboratory（2004） 0 2）佐藤：エネルギー消費と環境問題，電気学会誌，126巻，4号，pp.198-201（2006） 03）気候変動に関する政府間パネルIPCC第三次評価報告書（2001） 04）気象庁 20世紀の日本の気候， http://www.data.kishou.go.jp/climate/cpdinfo/20th/box3.htm 05）国連人口基金：世界人口白書（2006）

06）The World at Six Billion, Population Division, United Nations （1999）

07）World Economic Outlook Database, International Monetary Fund（2006） 08）株 式 会 社 日 立 総 合 計 画 研 究 所 政 策 経 済グループ：中 期 経 済 予 測 （2005） 09）環境省編：平成18年版環境白書，pp.55-107，ぎょうせい（2006） 10）三巻：火力発電所の熱効率向上─第1章，火力原子力発電，Vol.54， No.10，p.18（2003） 11）小豆畑：高効率発電技術，日立評論，87，5，475∼482（2005.5） 12）NEDOデータベース 日本における風力発電システム導入量の推移， http://www.nedo.go.jp/nedata/16fy/03/b/0003b002.html 13）山本：クリーン発電がよくわかる本，東京書籍，pp.91-99（2005） 14）中山，外：風力発電用連系インバータの無効電力制御による電圧変動抑 制手法，電気学会電力技術・電力系統技術合同研究会資料，pp.71-76， PE-06-109（2006） 15）菊池，外：離島向け風力発電システムの開発，電気学会電力技術・電力 系統技術合同研究会資料，pp.41-46，PE-04-7（2004） 16）永野，外：環境規制に対応したポート噴射エンジン制御システム，日立評 論，86，5，362∼365（2004.5） 参考文献など 17）野木：環境と安全に向けたエレクトリックパワートレインの開発，日立評論， 87，5，495∼498（2005.5） 18）財団法人省エネルギーセンター，ITSによる省エネルギー施策と効果 （1997） 19）横田，外：プローブカー情報を基にした道路交通情報の生成，日立評論， 88，8，628∼633（2006.8） 20）財団法人省エネルギーセンター，エネルギー需要面から見た課題とその 克服のための技術の方向性， http://www.eccj.or.jp/strategy/3-matter.html 21）日立アプライアンス株式会社，エアコンヒストリー， http://kadenfan.hitachi.co.jp/ra/history/index.html 22）社団法人日本電機工業会，家庭用エアコンデータベース， http://www.jema-net.or.jp/Japanese/kaden/kankyo/eakon-db.htm 23）佐藤：地球環境2004-05，エネルギーフォーラム，pp.46-59，pp.252-267 （2004） 24）社団法人日本電機工業会，炭化水素系冷媒使用の家庭用電気冷蔵庫 について， http://www.jema-net.or.jp/Japanese/kaden/reizou/ka-rei6.htm 25）日立アプライアンス株式会社，冷蔵庫， http://kadenfan.hitachi.co.jp/rei/ 26）東京電力株式会社，サステナビリティレポート，p.28（2005） 27）竹田：水と水質環境の基礎知識，pp.75-166，オーム社（2001） 28）依田，外：流域管理のためのモニタリングソリューション，日立評論，87， 4，321∼324（2005.4） 29）市川：新たな規制をビジネスチャンスに変える環境経営戦略 第1章，第7 章，中央法規（2004） 30）南，外：電気・電子機器の環境規制物質管理プロセスを構築する「Eco＆ PLMプロジェクト」，日立評論，86，8，591∼596（2004.8） 執筆者紹介 原田 泰志 1989年日立製作所入社，日立研究所 企画室 所属 現在，研究開発の企画運営に従事 工学博士 電気学会会員，IEEE会員